Результат интеллектуальной деятельности: Композиционный радиопоглощающий материал и способ его изготовления

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к способам получения композиционных материалов на основе магнитомягких порошков для эффективного поглощения электромагнитных волн в диапазоне частот от 10 МГц до 10 ГГц. Изобретение может быть использовано в различных областях электронной техники, в частности для улучшения электромагнитной совместимости приборов, для защиты биологических объектов от электромагнитного излучения, для улучшения диаграмм направленности антенн.

В настоящее время интенсивно разрабатываются материалы, поглощающие электромагнитное излучение включенными в их состав мелкодисперсными проводящими частицами. Все способы изготовления радиопоглощающих композитов с металлическими и неметаллическими наполнителями включают в себя стадии смешивания связующего (чаще всего, полимерного) с наполнителем, ориентацию наполнителя в связующем (при необходимости) и отверждение композита. Таким образом, необходимо разработать способ производства, позволяющий сократить производственный цикл и заранее предсказать толщину многослойного покрытия. Также немаловажным фактором при изготовлении являются массогабаритные характеристики композита. На данный момент имеется ряд патентов, связанных с получением радиопоглощающих материалов

Известно антирадарное покрытие (патент US №4173018), получаемое из смеси сферических намагниченных частиц размером 0,5-20 мкм в виде порошкообразного железа или покрытых намагниченным материалом стеклянных шариков и диэлектрического связующего, причем намагниченные частицы составляют приблизительно 80% веса смеси, а в качестве связующего использована термостойкая силиконовая композиция. Этот радиопоглощающий материал обеспечивает ослабление энергии ЭМВ на 12-20 дБ в диапазоне 2-10 ГГц при толщине покрытия приблизительно 1 мм (0,040 дюйма). Недостатком данного РПП является узкий диапазон рабочих частот.

Известен радиопоглощающий материал (патент RU №2167840), состоящий из смеси 0,30-0,45 или 0,55-0,75 мольных долей титаната стронция и 0,70-0,55 или 0,45-0,25 мольных долей соответственно соединений с общей формулой BiMO₃, где М выбран из группы элементов, включающей хром, марганец, железо. К недостатку известного материала следует отнести его значительную толщину, необходимую для эффективного поглощения радиоволн.

Известен поглотитель электромагнитного излучения (TW №285528), основу которого составляет поперечно-сшитый силиконовый гель, в котором диспергированы замедлитель и поглотитель электромагнитного излучения, введенный в количестве 200-800 мас. ч. на 100 мас. ч. силиконового геля. Для эффективного поглощения электромагнитного излучения требуется большая масса известного поглотителя, что ограничивает область его применения.

Известно радиопоглощающее покрытие (патент ЕР №1912487), включающее матрицу в виде тонкого листа из органического полимера или неорганического материала, в которой диспергированы ультратонкие углеродные частицы в количестве 0,01-20,0 мас. % от общей массы покрытия, а также содержится наполнитель, выбранный из группы, содержащей металлические частицы, карбонат магния, углеродную сажу, углеродные волокна, стеклянные волокна или их смеси. Известный радиопоглощающий материал имеет неоднородные свойства из-за трудности равномерного введения ингредиентов в основу.

Основной целью создания новых поглотителей электромагнитного излучения является расширение частотного диапазона и повышение эффективности радиопоглощения при одновременном уменьшении толщины и веса всего материала и расширение диапазона возможных применений радиопоглощающего покрытия. В связи с этим необходимо разработать экономически и технологически целесообразный способ изготовления многослойных композиционных материалов.

В патенте РФ 2369947 описан материал для поглощения электромагнитных волн (ЭМВ), который может быть использован для уменьшения изрезанности или улучшения формы диаграмм направленности (ДН) антенн в антенных устройствах, состоящих из одной или нескольких антенн, размещенных в непосредственной близости с металлической или диэлектрической поверхностью сложной геометрической формы, а также для снижения радиолокационной видимости антенной системы, например, самолетного применения. Сущность изобретения заключается в том, что в составе на основе диэлектрика, состоящего из карбонильного железа и полимерного связующего, в качестве полимерного связующего использован эпоксидный эластомер с отвердителем при следующем соотношении компонентов, мас. ч.: эпоксидный эластомер - 100, отвердитель - 8, карбонильное железо - 200-600. Данное радиопоглощающее покрытие обладает высокой адгезионной и механической прочностью и удобно для нанесения непосредственно на изделие. При этом радиопоглощающее покрытие является однослойным, а его толщина определяется из условия минимальной изрезанности диаграммы направленности антенны и в требуемом диапазоне частот и поляризаций составляет 0,18 λ, ср.

Также известен поглотитель ЭМВ (патент РФ №2155420) для работы в диапазоне сверхвысоких частот. Материал может быть использован для уменьшения радиолокационной видимости объектов различного назначения и конфигураций. Радиопоглощающий материал, который используется в этом радиопоглощающем покрытии, включает в себя в качестве полимерного связующего синтетический клей «Элатон» на основе латекса и в качестве магнитного наполнителя - порошкообразный феррит или карбонильное железо при соотношении компонентов, мас. %: синтетический клей «Элатон» на основе латекса 80-20, порошкообразный феррит или карбонильное железо 20-80. Способ получения радиопоглощающего покрытия и управления его свойствами включает нанесение на металлическую подложку первых трех-четырех слоев указанного радиопоглощающего материала с определенным соотношением ингредиентов, измерение величины коэффициента поглощения полученного радиопоглощающего покрытия, сравнение ее с расчетной величиной для данного количества слоев радиопоглощающего материала с данным соотношением ингредиентов. Если величина измеренного коэффициента поглощения превышает расчетную, то удаляют часть верхнего слоя радиопоглощающего материала до получения величины требуемого коэффициента поглощения, а если меньше расчетной, то приготавливают порцию радиопоглощающего материала с соотношением ингредиентов, обеспечивающим при нанесении требуемую величину коэффициента поглощения. Операцию повторяют, нанося такое количество слоев радиопоглощающего материала, которое обеспечивает получение заданного коэффициента поглощения всего радиопоглощающего покрытия в целом. Недостатком такого способа является необходимость контролировать коэффициент поглощения в процессе изготовления композита.

Согласно изобретению RU 2155420 толщину каждого слоя диэлектрика необходимо увеличивать от слоя к слою пропорционально длине волны согласования поглощаемого поддиапазона частот в соответствии с соотношением

где λ_n - центральная длина волны согласования поглощаемого поддиапазона частот; n=1, 2, …, N - порядковый номер слоя диэлектрика и поглощаемого поддиапазона частот; ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрика. Однако данная формула учитывает исключительно свойства диэлектрика и не учитывает возможный магнитный наполнитель в композите.

Целью разрабатываемого изобретения является создание защитного радиопоглощающего покрытия с прогнозируемой толщиной слоя на основе частиц сплава Fe-Cu-Nb-Si-B и полимерного связующего и способа изготовления этого покрытия.

За прототип разрабатываемого способа изготовления предлагается взять патент РФ 2529494. Композиционный материал для защиты от электромагнитного излучения состоит из полимерной основы с распределенными в ней частицами сплава системы Fe-Cu-Nb-Si-В, отличается тем, что он представляет собой многослойную конструкцию, каждый слой которой выполнен из указанного состава, а содержание частиц сплава в каждом слое составляет 70-90 мас. % и ограничено определенным диапазоном размеров частиц из непрерывного ряда 1-200 мкм с увеличением размерности частиц в каждом последующем слое. Материал обладает широким рабочим диапазоном частот от 100 МГц до 10 ГГц с сохранением низких значений коэффициента отражения и высоких значений магнитной проницаемости. Однако данное защитное покрытие имеет значительную толщину, что ограничивает области применения.

По сравнению с прототипом композиционный материал для защиты от электромагнитного излучения, состоящий из полимерной основы с распределенными в ней частицами сплава системы Fe-Cu-Nb-Si-B, представляющий собой многослойную конструкцию, каждый слой которой выполнен из указанного состава, а содержание частиц сплава в каждом слое составляет 70-90 мас. % и ограничено определенным диапазоном размеров частиц из непрерывного ряда 1-200 мкм с увеличением размерности частиц в каждом последующем слое, отличается тем, что в качестве первого слоя используется аморфная лента сплава системы Fe-Cu-Nb-Si-B, являющаяся эффективным экраном и позволяющая реализовать эффект интерференции падающей и отраженной волн.

Другой отличительной особенностью является внешний слой, выполненный в виде диэлектрика без наполнителя, что позволяет уменьшить отражение от композиционного материала вследствие наличия плавного градиента волнового сопротивления от слоя к слою.

По сравнению с аналогами способ изготовления композиционного материала, заключающийся в том, что наложение радиопоглощающих слоев происходит, начиная с самого толстого слоя по мере уменьшения толщины слоев рассчитываемой по формуле: , заканчивая внешним слоем из связующего - диэлектрика без наполнителя, при этом первый слой укладывается из экранирующей аморфной ленты сплава системы Fe-Cu-Nb-Si-B.

Технический эффект от предлагаемого способа достигается за счет создания многослойного широкополосного радиопоглощающего композиционного материала на основе порошкового наполнителя различных фракций с оптимизированной толщиной каждого слоя, а также уменьшения отражения за счет наличия внешнего слоя диэлектрика.

Технико-экономический эффект от предлагаемого способа получения порошка заключается в использовании практически безотходной технологии дезинтеграторной обработки (за счет возможности повторного использования порошка для размола до нужного размера фракции), а также в уменьшении массогабаритных характеристик многослойного композита за счет уменьшения толщины каждого слоя. Экономический эффект заключается в использовании для производства порошка сырья (аморфной ленты сплава системы Fe-Cu-Nb-Si-B) российского производства.